2024年4月18日, 星期四
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“星苗”

天文前沿创新教育论坛

Innovative Education Forum on the Frontiers of Astronomy

 

    天文学在近六年内共获得过三次诺贝尔物理学奖。它既是最古老的科学,也是最活跃的前沿领域之一,更是科普教育中最受大众欢迎的排头兵。近年来国内天文教育高速发展,越来越多中小学把天文作为学校特色,学生选择天文学作为未来专业方向。对于未来有志于从事天文学专业学习的“星苗”学生,学校通识类课程、兴趣活动以及天文馆的普及类活动无法完全满足日渐增长的学生需求,教师对于学生天文的指导也需要更多资源支持。

    目前国家非常重视天文学的学科建设,各种大设备和基础设施,如中国天眼、中国空间站、中国巡天空间望远镜等方兴未艾,需要大量的研究后备力量。作为国内天文研究与普及教育的主力军,上海交通大学和上海天文馆(上海科技馆分馆)联合举办本次论坛,旨在搭建高校天文优势学科资源与基础教育的沟通桥梁,打造中学天文创新教育资源的分享平台,探讨前沿天体物理与优质人才输送的融合,帮助中学师生了解天文学前沿领域发展、并为天文指导教师提供交流渠道,吸引更多青少年接触天文、了解天文,投身天文事业。

 

 

会议时间: 2024年1月18日-1月19日(其中1月18日上午注册)

会场地址:上海交通大学 (闵行校区)理科楼5号楼300会议室

参访调研:上海天文馆 (上海市浦东新区临港大道380号)

参会对象:长三角、珠三角及全国其他省市知名中学校长、教师及“星苗”学生

 

主办单位:上海交通大学、上海天文馆(上海科技馆分馆)

承办单位:上海交通大学物理与天文学院天文系、光启天文台

协办单位:上海市天文学会

鸣      谢:碧云科普基金

 

        在标准冷暗物质宇宙学模型中,小质量星系率先形成,之后在引力的作用下,小质量星系逐渐并合形成大质量星系。然而有一类特殊的星系“不走寻常路”,沿着由大到小的轨迹演化。

图1:通常,小星系通过并合过程演化为大星系;超致密矮星系相反,大星系经过瓦解过程演化为小星系。

图源:Wang et al. 2023, Nature, 623, 296.

        这一特殊星系叫做超致密矮星系(ultra-compact dwarf galaxy, UCD),于2000年前后被人们首次发现,其性质介于星团与星系之间。自发现至今,超致密矮星系的起源一直存在争议,一方认为它是大质量球状星团,另一方则认为它起源于星系。近期,一个由全球近20个研究机构的科研人员组成的国际团队,使用多台大型望远镜的观测数据,首次发现了从有核矮星系(nucleated dwarf galaxy)到超致密矮星系的完整演化序列,证实了星系可以沿着由大到小的轨迹演化,揭示了困扰科学家许久的超致密矮星系起源之谜。相关研究成果于近日在顶尖学术期刊《自然》(Nature)上发表。此外,《自然》同步发布了一篇News and Views文章,对该成果进行了推介。

        顾名思义,超致密星系是极端致密的恒星系统,是近域宇宙中最致密的星系。此外,宇宙中还存在一类极端松散的恒星系统--超弥散星系(ultra-diffuse galaxy, UDG),它们是宇宙中最弥散的星系。这些具有极端性质的星系对现有的星系形成和演化理论提出了挑战,相关研究对于完善星系形成和演化理论具有重要意义。该研究团队发现,某些超弥散星系和超致密矮星系可能是同源的,都是由矮星系演化而来,这使得宇宙中最弥散的星系和最致密的星系紧密结合了起来。

        论文第一作者兼共同通讯作者,北京大学物理学院天文学系、科维理天文与天体物理研究所的博士研究生王凯翔表示:“我们首次观测到了超致密矮星系形成的各个阶段,就像时间切片一样,刻画了从有核矮星系到超致密矮星系(甚至星团)的变身过程。” 在并合瓦解过程中,矮星系中的暗物质晕率先被剥离,星系的恒星分布愈加弥散。之后,星系的恒星开始被剥离,恒星晕越来越小,逐渐消失,残留下来的星系核成为超致密矮星系。该研究进一步完善了有核矮星系到超致密矮星系的演化轨迹:有核矮星系→有核超弥散星系→强核矮星系→有暗弱恒星晕的超致密矮星系→超致密矮星系,整个过程持续约20-30亿年。

 

图2:从有核矮星系到超致密矮星系的演化序列,整个过程持续时间约20-30亿年。

制图:王凯翔;背景图源:NASA/R. Gendler。

 

        近年来,使用下一代室女星系团巡天(NGVS)的图像数据,研究团队搜寻到600多个超致密矮星系,这是迄今最大的超致密矮星系样本,也是首个在星系团尺度完备的超致密矮星系样本。基于该样本,研究人员发现,约有15%的超致密矮星系周边有暗弱的恒星晕,这些特殊的超致密矮星系是这个工作的主要研究对象。论文的共同通讯作者,上海交通大学物理与天文学院、李政道研究所刘成则副研究员介绍:“这是首次基于完备样本对有暗弱恒星晕的超致密矮星系进行形态研究和面亮度轮廓分析,其结果具有统计学意义。”

        另一位共同通讯作者,美国光学红外天文研究实验室(NOIRLab)的Eric Peng补充道:“超致密矮星系是星系团考古研究的重要探针。有核矮星系恒星晕被剥离后,其中心的星系核成为超致密矮星系,被剥离掉的恒星弥散在星系团中,成为星系团内光(intracluster light, ICL)的一部分。我们估计,室女星系团中心星系M87的恒星晕中约有30%的恒星质量来自于并合过来的矮星系,这对于理解巨椭圆星系的并合成长历史提供了重要参考。”

        该研究团队将继续使用韦布空间望远镜(JWST)、哈勃空间望远镜等大型观测设备对超致密矮星系进行后续观测,以解开致密恒星系统更多的科学奥秘。

        该研究得到了国家自然科学基金、中国载人航天项目(中国空间站望远镜CSST)以及粒子天体物理与宇宙学教育部重点实验室的支持。

 

论文链接

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06650-z


相关文章
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4365/abad91

 

News and Views

https://www.nature.com/articles/d41586-023-03275-0

        为践行党的二十大精神,聚焦科教兴国使命,发挥上海交大天文学科的带头作用,推动西部天文的建设发展,2023年7月16--21日,物理与天文学院“探秘星空,科普共建”暑期实践团在天文系党支部书记刘成则老师的带领下,赴青海省开展“探秘星空,科普共建”党建引领天文专业实践。青海冷湖赛什腾山这个世界级别的望远镜台址交通大学光谱望远镜(以下简称JUST)计划建于。本次暑期实践活动内容主要分为“探秘星空”以及“科普共建”两大部分。

       “探秘星空”:实践团成员围绕"3S",记录暗夜保护,讲述星空故事,传播天文知识。"3S"即践行专业知识、讲述星空故事(Story Telling);于实践沿途选取观测点开展天光背景测量(Skylight Background)及星空摄影(Star Shooting)。

       “科普共建”:与上海天文馆、青海大学以及冷湖镇管委会进行共建座谈,交流促进在科普活动、“JUST”望远镜建设维护等方面工作。面向中小学生,讲述冷湖调研情况,积极响应上海天文馆“携守暗夜”国际暗夜保护月特别活动。

        实践团7月16日从上海出发,在青海省海西州德令哈市紫金山天文台青海观测站、青海省海西蒙古族藏族自治州茫崖市冷湖镇和赛什腾山4300米JUST光谱望远镜台址开展了为期6天的实践调研。

 

探秘星空,发挥交大天文优势

1.JUST简介

       在青海冷湖的塞什腾山,许多国内顶尖的天文单位正在快马加鞭地架设观测仪器。这里是中国境内最好的观测台址之一,上海交通大学光谱望远镜(Jiaotong University Spectroscopic Telescope,简称JUST)项目也即将在此开工。

       多年前,国家天文台的邓李才首席研究员率领团队来到青海冷湖选址,徒步登上塞什腾山,甚至几度失联;初步确定了台址后,通过长期监测,收集了大量的数据,最终以一篇Nature论文向世界宣告,中国境内也有世界顶级的观测台址。

       JUST望远镜设计口径为4.4米,主镜采用薄镜面拼接技术,整体采用轻量化设计,建设周期短,具有口径大、集光能力强、造价低、响应快等优势。望远镜配置了两个耐焦平台,分别装备多光纤光谱仪和高分辨率光谱仪,两个工作焦点之间实现快速自由切换,可满足多科学目标的需求。

2.天光背景监测

      在天文学中,光污染是影响光学望远镜所能检测到的最暗天体极限的因素之一。常见的光污染有城市夜天光、大气辉光、黄道光和银河系背景光等。通常天光背景测量用mag/arcsec2为单位,数值越大,表明天空越暗,越适合深空观测。

(实践团成员在德令哈观测站调研,陈斌摄)

       在西宁北川河湿地公园、德令哈紫台青海观测站、冷湖镇、赛什腾山等多个实践点,实践团成员分别使用天光计对天光背景进行了测量:在冷湖塞什腾山上,天光背景稳定达到了21.5等(白色实线),比冷湖镇(蓝色实线)高出了整整一个星等。星等差一等,亮度就相差了10倍,这意味着我们能看到的星系可以远3~4倍。

(各地夜天光数据比较。记录:刘成则,数据处理:洪文生)

       本次夜天光数据,将作为历年光污染调研的延续,通过对比不同地区的光污染情况,进一步推广普及夜间生态环境保护理念,提高公众对暗夜星空保护的认识和参与度,探索城市与自然的和谐共生之道。

3.星空摄影

       星空摄影是体现观测条件好坏最直观的方式。以下图片分别在西宁北川河湿地公园、冷湖镇、德令哈紫台青海观测站、赛什腾山拍摄,观测条件逐步变好。

西宁北川河湿地公园

摄影:樊仕达

       当天天气不够晴朗,且靠近市区,地面光污染严重,难以窥探星空全貌。

冷湖镇街景 

摄影:樊仕达

        尽管当天依然有高云,能看出观测条件比西宁已有显著提升,但是依然存在较为严重的辉光和地面路灯干扰问题。

德令哈紫台青海观测站

摄影:王佳琪

       紫台青海观测站周围几十公里人烟稀少,我们此行第一次看到了绚烂的星空。光污染主要来自周围不时有农场车辆开远光灯驶过。

冷湖塞什腾山4200m台址

出镜:实践团全体成员 摄影:陈斌

       这张手机拍摄的照片没有太多后期,银河点亮天空,远处冷湖镇的城市灯光仿佛只是一颗普通的星星,淹没在星海中。

 

科普共建,聚焦科教兴国使命

 

1.上海天文馆共建,奠定合作基础:

       为促进在天文科普方面的提升以及学院、天文馆双方在天文教育领域的合作,提升上交大物天院师生的科普水平,更好地开展科普讲解,同时丰富以光启天文台为主体的科普活动,让更多的人了解和关注天文学科。6月2日,在物理与天文学院党委书记梁齐,党委副书记殷洁、朱敏的带领下,学院天文师生支部、机关党支部成员前往上海天文馆进行共建交流。

(图为活动参与成员合影,黄环佩摄)

       此次交流活动学院师生和上海天文馆的代表们相互启迪,共同促进双方在科普方面的进步,为天文学科普及和发展奉献一份力量,同时此次活动也为物理与天文学院和上海天文馆之间的合作奠定了基础,将为今后更深层次的合作提供更好的机会和平台。

2.上海天文馆天文教育研讨会,深入天文教育合作:

       7月15日下午,2023年度上海天文教育研讨会在上海天文馆举办,会议邀请相关领域的专家老师,共同探讨天文教育的更多可能性。上海交通大学物理与天文学院副研究员刘成则参加此次研讨会,分享了他在天文教育领域的经验和见解。

(图为刘成则老师研讨会合影。上海天文馆供图)

       通过这次研讨会,与会专家和老师们深入交流了天文教育的相关问题,对于推动天文教育事业的发展具有积极的意义。上海天文馆也表示,将一如既往地致力于天文教育的发展,为广大人民群众提供更好的教育服务。

 

3.青海大学共建,探讨JUST望远镜合作方向:

       7月17日上午,实践团前往青海大学进行共建交流,参观调研了青海大学校史馆及各实验室,并与数理学院的领导老师们进行了座谈交流。座谈会上,数理学院副院长赵延忠教授介绍了青海大学数理学院天文学科的发展规划。刘成则老师介绍了 JUST 望远镜的规划和建设情况。双方就开展两校短期和长期合作项目进行了初步探讨,赵延忠副院长期望上海交通大学优秀毕业生能够到青海大学扎根工作。刘成则表示欢迎青海大学的老师到上海交通大学进行合作交流,促进围绕JUST 望远镜和天文学科的合作。

(图为刘成则老师介绍JUST项目科学目标,樊仕达摄)

4.冷湖镇管委会共建,交流JUST望远镜建设情况:

       7月18日下午,实践团成员与冷湖镇管委会和上海天文馆代表在青海茫崖市冷湖镇进行了座谈会,就赛什腾山JUST望远镜的选址、水电、住宿、值班人员办公、科普合作等情况进行了深入的沟通交流。三方代表还就接下来几天的行程进行了讨论。

(图为三方共建座谈,樊仕达摄)

       此次座谈会为上海交通大学、李政道研究所和冷湖镇之间的长期合作奠定了坚实的基础。各方将继续密切合作,推动赛什腾山JUST望远镜基地的建设,为天文学科以及当地的发展做出更大贡献。

5.活用实践调研成果,培育“少年科学诠释者”

(图为刘成则老师在上海天文馆授课。上海天文馆供图)

       7月22日,刘成则老师在上海天文馆“少年科学诠释者”课堂开讲《夜天光监测的技术与方法》,汇报了实践团在青海冷湖的调研情况,以实践故事生动形象地向中小学生和社会群体阐述了光污染的危害和暗夜保护的必要性,积极响应上海天文馆“携守暗夜”国际暗夜保护月特别活动。

 

深化实践,提升学科育人能力

       在上海交通大学和物理与天文学院的大力支持下,天文系始终坚持在实践中提升科学育人能力,自2019年起,连续五年选派师生奔赴祖国各地,围绕天文科普和夜天光保护,开展系列天文专业实践。

2019年 国家天文台河北兴隆观测站,云南天文台、丽江观测站。报道链接:https://mp.weixin.qq.com/s/hHcyui3tHCVqbCYevWoalw

2020年 上海滴水湖、南汇嘴,交大徐汇校区。报道链接:https://mp.weixin.qq.com/s/VRCY53q3bjrhjQkHuaKIhA

2021年 国家天文台河北兴隆观测站,浙江天荒坪。报道链接:https://mp.weixin.qq.com/s/3ZVFQzCGCXkUawH2Z1VnkQ

https://mp.weixin.qq.com/s/fAU9HtvPQIorY5z0x1Tdvw

2022年 (全国)移动设备光污染测量。报道链接:https://mp.weixin.qq.com/s/q7gHtB7eCbLOz5ILgVsAYA, https://mp.weixin.qq.com/s/04mWUaw6MWQ275ABywiVtg

2023年 青海德令哈紫金山天文台观测站、冷湖观测站

       践行专业知识、提升观测本领、讲好星空故事。通过多年持续开展天文专业实践,上海交通大学物理与天文学院天文系师生持续加强自身专业素养和科普水平,充分发挥交大天文学科优势,全面提升天文育人影响力。

         2023年7月2日晚,第十二期光启论坛在理科楼5号楼300会议室举行。本期特邀主讲人是知名天文摄影师张敬宜,她用丰富多姿的阅历,精彩纷呈的图文和影像记录,跟大家分享了她的追“星”之旅。 

      作为一名典型的95后,张敬宜是能上天下海的六边形战士。已经遍历29个国家的她,身兼数职--天文摄影师,火箭摄影师,水下、野生动物摄影师,美人鱼教练…从珠宝设计师到天文从业者,我们在她的身上看到了无限可能性。

       张敬宜与天文结缘于2008年的一次日食,从此开始了她的天文摄影之路。她的作品曾多次登上NASA每日天文一图,从西澳的银河,北欧的极光,到内蒙古的流星雨,她的每张星空照片都给人带来无限惊喜与震撼。而这些绚丽的照片背后,更是饱含她和团队克服重重困难的付出。

       作为一名“火箭少女”,张敬宜也在通过自己独特的方式,记录中国航天每一次不可复制的火箭发射现场,用手中的镜头讲述中国航天的故事。身为一名航天家属,从最开始对家人工作的不解,到现在无条件的支持,张敬宜感叹,每一次发射背后的故事都让人感动:“哪怕在最贫穷的年代,中国人也从未停止追逐飞天的梦想……无数航天人为了中国航天事业默默地付出,是他们的勤奋执着、一丝不苟、勇敢奉献才让我们看到中国航天最辉煌的样子。”